ТЕМА 5. СИНТЕТИЧНІ ВИСОКОМОЛЕКУ-ЛЯРНІ РЕЧОВИНИ І ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ НА ЇХ ОСНОВІ

 

Пригадайте:

• для ненасичених вуглеводнів більш характерні хімічні реакції приєднання.

• що таке поліфункціональні сполуки (за § 3).

Поняття про високомолекулярні сполуки та полімери

З курсу хімії та біології 9 класу вам уже відомі природні полімери, або біополімери, зокрема полісахариди, білки та нуклеїнові кислоти. Їх особливістю є те, що їхні молекули складаються з великого числа структурних ланок. А завдяки досягненням хімії створено багато синтетичних (штучних) полімерів.

Полімери — це речовини, що складаються з великого числа структурних ланок, сполучених у довгі молекули хімічними зв'язками.

Число структурних ланок у складі молекул полімерів може сягати декількох мільйонів, тому ці молекули дуже великі, їх іще називають макромолекулами (мал. 32.1).

Відносна молекулярна маса полімерів також дуже велика і може сягати десятків мільйонів, тому полімери також називають високо-молекулярними сполуками.

Структурні ланки, з яких складаються молекули полімерів,— це групи атомів, що є характерними для кожного полімеру, їх називають елементарними ланками (мал. 32.2).

Елементарна ланка — це група атомів, що багаторазово повторюється в макромолекулі полімеру.

У відомих вам крохмалі та целюлозі елементарними ланками є залишки молекул глюкози, а в поліетилені, який ви вивчали минулого року,— це група атомів CH₂-CH₂.

Хімічні формули полімерів записують, зазначаючи у квадратних дужках формулу елементарної ланки. За дужками символом n позначають середнє число елементарних ланок у макромолекулах, яке називають ступенем полімеризації.

Ступінь полімеризації — середнє число елементарних ланок у макромолекулі полімеру:

На кінцях молекули полімеру перебувають фрагменти молекул розчинника або ініціатора реакції полімеризації. Ці атоми майже не впливають на властивості полімеру, тому у формулах полімерів не зазначають, чим закінчується карбоновий ланцюг.

Властивості полімерів

Для полімерів характерні особливі властивості, що відрізняють їх від низькомолекулярних речовин.

1. Механічні властивості. Для полімерів характерні:

• еластичність або гнучкість;

• незначна крихкість склоподібних полімерів (наприклад, оргскло);

• здатність молекул орієнтуватися вздовж напрямку механічного навантаження, що використовують для виготовлення волокон та плівок.

2. Здатність розчинятися. Полімери розчиняються набагато гірше за їх низькомолекулярні аналоги. Розчинність полімерів залежить насамперед від полярності їхніх молекул: полярні (гідрофільні) полімери краще розчиняються у воді чи полярних органічних розчинниках, а неполярні (гідрофобні) — у неполярних органічних розчинниках. Також на розчинність впливає розмір та будова молекул полімерів.

3. Термопластичність. Властивість тіла змінювати свою форму за нагрівання і зберігати її після охолодження називають термо-пластичністю. За цим параметром полімери поділяють на термопластичні та термореактивні.

Макромолекули притягуються одна до одної слабкими міжмолекулярними взаємодіями

Під час нагрівання розм'якшуються та стають пластичними й придатними до формування виробів. Після охолодження твердіють і зберігають здатність до повторного нагрівання й обробки

Між макромолекулами під час обробки утворюються міцні ковалентні зв'язки Формування виробів відбувається під час нагрівання або додавання певних реагентів. За цих умов відбувається хімічна реакція, що спричиняє утворення неплавкого та нерозчинного матеріалу, непридатного до повторної обробки

Будова макромолекул

Особливі властивості полімерів зумовлені не тільки великими розмірами, а й особливостями будови макромолекул. Розрізняють три основні різновиди будови макромолекул: лінійна, розгалужена та сітчаста. Будова макромолекул зумовлює фізичні та експлуатаційні властивості полімерів (табл. 14).

Лінійна будова. У таких макромолекулах елементарні ланки сполучені послідовно, без розгалужень. Такі макромолекули можуть набувати різної форми: витягуватися в довгі молекули, скручуватися у спіраль або клубок (мал. 32.3).

Вони можуть оборотно (без розривання хімічних зв’язків) змінювати свою форму, тобто виявляти гнучкість. Це зумовлює еластичні властивості полімерів: під час деформації полімеру скручені макромолекули розпрямляються (мал. 32.4, а), а після зняття навантаження — знову скручуються (мал. 32.4, б).

Таблиця 14. Характеристики полімерів різної будови

* У воді чи органічних розчинниках залежно від полярності полімеру.

Розгалужена будова. У макромолекулах розгалуженої форми у деяких місцях трапляються розгалуження ланцюгів за рахунок сполучення однієї ланки з кількома іншими (мал. 32.5, а).

Сітчаста (просторова, або тривимірна) будова. Усі структурні ланки об’єднуються у велику просторову міцну сітку (мал. 32.5, б). Будова таких полімерів певною мірою нагадує будову речовин з атомними кристалічними ґратками.

Реакції полімеризації та поліконденсації

Полімери утворюються в реакціях полімеризації або поліконденсації.

Полімеризація — процес синтезу високомолекулярної сполуки шляхом багаторазового приєднання молекул низькомолекулярної речовини до активного центру.

Реакція полімеризації більш характерна для ненасичених сполук переважно з подвійним зв’язком. У загальному вигляді формулу таких сполук можна записати:

Групою R у цих молекулах можуть бути будь-які вуглеводневі залишки, атоми чи групи атомів, зокрема характеристичні групи. Ці речовини, з яких утворюються полімери, називають мономерами.

Мономер — низькомолекулярна речовина, з якої шляхом полімеризації або поліконденсації утворюється полімер.

Під час реакції полімеризації утворюються дуже великі молекули полімерів. У загальному вигляді рівняння реакції полімеризації записують так:

Назви полімерів, що утворюються, походять від назв мономерів із додаванням префікса полі-. Наприклад, з етилену (етену) під час полімеризації утворюється поліетилен, з пропілену (пропену) — поліпропілен тощо.

Революція в синтезі полімерів відбулася після відкриття К. Ци-глером та Дж. Наттою каталізаторів для реакції полімеризації на основі сполук Титану та Алюмінію, за що 1963 року вони були нагороджені Нобелівською премією.

Подібно до полімеризації відбувається процес поліконденсації, але є одна відмінність: під час поліконденсації окрім полімеру утворюється ще певна низькомолекулярна речовина (вода, амоніак, спирт тощо):

Поліконденсація — процес синтезу полімерів із поліфункціональних сполук, що супроводжується утворенням побічних низькомолекулярних речовин.

Мономерами для поліконденсації можуть бути речовини, молекули яких містять не менше двох характеристичних груп. Це може бути одна сполука з двома характеристичними групами різної природи (амінокислоти, альдегідоспирти тощо). Наприклад, з амінокислот утворюються поліаміди (поліпептиди):

Зокрема, саме за цією схемою із 6-амі-ногексанової кислоти синтезують капрон, а з протеїногенних амінокислот у рибосомах відбувається синтез білків.

У реакції поліконденсації можуть брати участь також дві речовини, кожна з яких містить характеристичні групи, що взаємодіють одна з одною. Наприклад, з двохатомних спиртів та двохосновних карбонових кислот синтезують поліестери:

Сьогодні за реакціями полімеризації та поліконденсації на хімічних підприємствах синтезують багато полімерів, з яких, у свою чергу, виготовляють різноманітні полімерні матеріали для потреб суспільства.

В Україні станом на 2018 рік єдиним підприємством, що синтезує поліетилен та полівінілхлорид, є ТОВ «Карпатнафтохім» (м. Калуш, Івано-Франківська обл.), інші полімери імпортуються.

Ключова ідея

Полімери — речовини, що є прикладом для підтвердження закону діалектики про перехід кількісних змін у якісні.

Лінгвістичні завдання

Грецькою poly означає «багато», monos — «один», macros — «довгий» або «великий», meros — «частина». Поясніть значення термінів «полімер», «мономер», «макромолекула».

Контрольні запитання

500. Дайте визначення поняттям «полімер», «високомолекулярна сполука», «мономер», «елементарна ланка», «ступінь полімеризації», «макромолекула».

501. Що називають термопластичністю? Які полімери називають термопластичними, а які — термореактивними? Чим вони відрізняються? Наведіть приклади.

502. Схарактеризуйте відмінності механічних властивостей та здатності розчинятися для високо- та низькомолекулярних речовин.

503. Схарактеризуйте різну будову макромолекул. Як будова макромолекул позначається на властивостях полімерів?

504. Чим відрізняються реакції полімеризації та поліконденсації? Які полімери добувають за першою реакцією, а які — за другою?

Завдання для засвоєння матеріалу

505. Поясніть, що спільного та відмінного у поняттях «мономер» та «елементарна ланка».

506. Поясніть, як пов'язана будова макромолекул полімерів з їхніми властивостями. Проілюструйте прикладами.

507. Утворення крохмалю у рослинах з глюкози є реакцією полімеризації чи поліконденсації?

Комплексні завдання

508. Формулу поліпропілену можна записати так: H-[CH₂-CH(CH₃)]_n-H. Визначте молярну масу поліпропілену, якщо кожна молекула містить по 150 структурних ланок.

509. Формулу полістиролу можна записати так: H-[CH₂-CH(C₆H₅)]_n-H. Визначте число структурних ланок у його молекулах п, якщо його молярна маса дорівнює 12 482 г/моль.

510. Формулу капрону, що є продуктом поліконденсації певної амінокислоти, можна записати так: H-[NH-(CH₂)_x-CO]_n-OH. Визначте число атомів Карбону в одній молекулі цієї амінокислоти, якщо молярна маса капрону дорівнює 6368 г/моль, а кожна його молекула містить по 50 структурних ланок.

Завдання з розвитку критичного мислення

511. Як ви вважаєте, в яких випадках ми спостерігаємо еластичність білків як полімерів лінійної форми? Відповідь проілюструйте прикладами.

512. Що є спільного та відмінного в будові сітчастих полімерів і речовин з атомними кристалічними ґратками?

513. Як ви вважаєте, чому розчинні полімери не утворюють істинних розчинів?

514. Поясніть справедливість ключової ідеї параграфа.

 

 

Це матеріал з підручника Хімія 10 клас Григорович